一种高温低密度高强水泥浆的研究及在墨西哥湾的应用

宋亚楠 冯建建 石礼岗 丁嘉迪

（中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065200）

Z-1 井位于墨西哥湾K 区块，由于6500 万年前受陨石撞击影响，该区块碳酸盐岩地层脆弱，天然裂缝发育严重，较深层次钻井过程中普遍存在漏失、气窜等技术难点[1]。以Z-1井为例，该井使用10 5/8″钻头钻至3524 米，井底静止温度120℃，钻进过程中为减少裂缝性漏失，使用1.02g·cm-3油基泥浆钻进，固井采用9 5/8″ 技术尾管，封固2979 米到3524米，采用1.35g·cm-3低密度水泥浆进行固井。由于该层次为尾管作业且下一层次8 1/2″井眼采用裸眼完钻，对该9 5/8″技术尾管作业固井质量提出了严苛的要求。为高质量完成该井作业，需开发1.35 g·cm-3的高温低密度高强度水泥浆体系。

1 技术难点

1.1 水泥浆使用H 级水泥，作为水泥浆中最主要组分，水泥对水泥浆的物理化学性能起决定性作用。墨西哥仅有Holcim 一家水泥供应商提供能够满足油田固井作业使用的高抗硫水泥，而Holcim 公司只生产H 级水泥，不生产在国内油田固井作业中广泛使用的G 级水泥。H 级与G 级水泥相比，化学组成一致，但水泥颗粒更粗（见表1），比表面积更小，造成H 级水泥反应速率低，强度发展慢，水泥浆悬浮稳定性差，尤其在高温低密度水泥浆中，高温对水泥浆胶结结构的破坏，进一步加剧了水泥浆体系的不稳定性。同时在低密度水泥浆中，由于减轻剂的存在，组成材料间密度差异较常规水泥更大（见表2），更容易发生沉降，引起水泥浆体系不稳定。

表1 H 级水泥与G 级水泥粒度对比

表2 高温低密度水泥浆中不同材料密度

1.2 水泥石高温强度衰退问题，水泥石强度由水泥与水发生水化反应形成的C-S-H 胶凝结构的强度决定，低密度水泥浆中水灰比高，水泥含量低，形成水泥石强度比常规密度水泥浆低。对于高温低密度水泥浆，高温造成水泥石强度衰退，进一步降低了水泥石强度。而水泥石强度对水泥封固质量具有重要影响，因此低密度水泥浆一般作为填充水泥浆应用于封固质量要求较低的表层，对于封固质量要求较高的深层次固井作业尤其尾管固井作业，低密度水泥浆一般作为双密度水泥浆中的领浆，用于封固套管或尾管顶部，底部套管鞋处则使用具有更高抗压强度的常规密度水泥浆进行封固，单独使用低密度水泥浆进行固井的应用很少。

因此，本研究主要针对具有高温、易漏等技术难点且对固井质量要求高的深层次固井作业，使用H 水泥开发出一套满足现场作业要求的高温、高强度低密度水泥浆体系。

2 材料选择

相比高温常规密度水泥浆，由减轻剂、超细水泥、增强剂、高温防衰退剂等组成的固相材料在高温低密度水泥浆中占比更高（见表3），对水泥浆稳定性、流变性及强度性能等起决定性作用，因此，固相材料筛选及材料配比是高温低密度水泥浆体系建立的关键。

表3 不同密度水泥浆中固相材料体积百分比

2.1 减轻剂

高温深层次固井作业，作业层次深，井底压力高，因此要求高温低密度水泥浆使用的减轻材料除需具有密度低的特点外，还需具有较高的承压能力（一般要求大于40Mpa）。本体系中减轻剂使用3M 公司的新型人造玻璃微珠HGS19K46，相对传统人造玻璃微珠，具有密度低、承压高的特点（见图1）。在低密度水泥浆密度、流变性能相同条件下，HGS19K46 加量更少，水泥浆水灰比更小（见表4），水泥浆胶凝硬化后形成水泥石的强度更高[2]。

图1 人造玻璃微珠HGS19K46 与HG6000 及HGS10000承压实验对比

表4 1.35g·cm-3 水泥浆中使用HGS19K46 与HGS10000水灰比对比表

2.2 超细水泥

超细材料是传统低密度水泥浆中重要组分，占比20%-50% BWOC（By weight of cement, 相对水泥质量百分比），其组成与普通油井水泥类似，粒径为1-10 um，作用原理是，组分粒径小，可提高水泥石填充性及致密性，水化反应快，可提高水泥石早期强度[3]。但另一方面，由于超细水泥粒径小，比表面积大，颗粒表面润湿需水量大，在水泥浆达到相同流变性能的条件下，水泥浆需水量更大，水灰比（水泥浆中水与水泥重量百分比）更高，增大水泥浆硬化后水泥石的孔隙度，降低水泥石强度。目前关于超细水泥对水泥浆强度发展影响因素的研究中，主要思路为保证水泥浆其它材料组成一致，通过改变水泥中超细水泥比例研究水泥石强度发展规律，并未同时考虑水泥浆的流变性，而在实际施工过程中，流变性能对泵压、泵速及摩擦阻力等施工参数具有重要影响。因此，为提高研究的现场可应用性，实验中保证所设计水泥浆具有相同的流变性，在此基础上观察超细水泥对水泥石强度的影响。

分别设计两个1.35 g·cm-3的水泥浆配方，配方一中水泥由70%H 级水泥及30%超细水泥组成，配方二中只含H级水泥，通过调节减轻剂及水的加量，保证其具有相同流变性能，见表5。将两个配方在4262 型超声波强度仪、120℃高温条件下养护，观察抗压强度变化情况，结果见图2。

图2 配方一与配方二在120 ℃下抗压强度变化对比

表5 配方一及配方二水灰比及流动性对比

配方一，70% BWOC H 级水泥+30% BWOC 超细水泥+23% BWOC HGS19K46+10% BWOC 微硅+35% BWOC硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡剂+0.7% BWOC 分散剂+2.3% BWOC 降失水剂+0.9% BWOC 缓凝剂+87.3% BWOC水；

配 方 二，100% BWOC H 级 水 泥 +26% BWOC HGS19K46+10% BWOC 微硅+35% BWOC 硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡剂+0.7% BWOC 分散剂+2.3% BWOC 降失水剂+0.9% BWOC 缓凝剂+70.4% BWOC 水。

通过图2 可以看出，配方一因为含有超细水泥，强度发展快，从开始起强度至强度接近最大值，仅需要1 个小时，配方二则需要5 个小时，这是因为超细水泥在粒径小，比表面积大，水泥颗粒与水接触充分，高温下水化反应迅速，水泥石强度发展迅速。但配方一最终强度小于配方二，因为在相同流变性能下，配方一水灰比小，水泥浆中水泥占比小，尽管前期水泥水化反应快，强度较高，但后期水化速率降低，强度增长缓慢。而配方二中，尽管水泥水化初期因为颗粒较粗，水化反应缓慢，强度低，但随着水泥颗粒继续水化，水泥石强度继续增长，由于水泥浆中水泥占比高，形成最终水泥石的强度也越高。同时由于高温下水泥水化反应比低温下快，即使只使用颗粒较粗的H 级水泥也能快速水化，形成较高强度，因此本体系中仅使用H 级水泥作为胶凝材料。

2.3 防高温强度衰退材料

当温度高于110 ℃时，由于水合硅酸钙（C-S-H）转变为不稳定的硅酸钙水化物，导致水泥石渗透率升高及强度降低。为了最大程度地降低抗压强度高温下衰退问题，通常在水泥中加入35-40% BWOC 的硅砂或硅粉以平衡CaO/SiO2比例，生成强度更高的雪硅钙石，有效降低水泥石强度衰退。考虑墨西哥当地供应链情况，可选材料仅有100 目硅粉，325目硅粉以及微硅。因为硅粉的粒径越小，比表面积越大，与水泥的水化产物氢氧化钙的反应越迅速，水泥水化越充分，水泥石强度越高[4]，同时考虑体系稳定性，颗粒越粗，稳定性越差，因此本体系中不适用100 目硅粉。微硅具有粒径小、比表面积大、等特点，具有提水泥浆高高温悬浮稳定性、降低APⅠ失水、防气窜等优点，因此在传统低密度水泥浆中被普遍使用。但Grabowski 和Gillott 通过研究发现，过高的微硅加量可导致高温水泥石的长期抗压强度衰退[5]，因此本体系中采用35% BWOC 硅粉325 目与10% BWOC 微硅搭配使用（见表6），325 目硅粉用于减少水泥石强度高温下衰退，微硅用于提高水泥浆悬浮稳定性及降低水泥石渗透率，提高防气窜能力。

表6 硅粉及微硅对水泥石抗压强度及稳定性影响对比（1.35g·cm-3，120℃，24h）

3 水泥浆组成及性能

针对Z-1 井9 5/8″ 尾管固井作业对低密度水泥浆要求，同时考虑防气窜性能，在水泥浆中加入防气窜剂，基本组成为：

100% BWOC H 级水泥+26% BWOC HGS19K46+10%BWOC 微硅+35% BWOC 硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡剂+0.7% BWOC 分散剂+2.3% BWOC 降失水剂+0.9%BWOC 缓凝剂+4% BWOC 防气窜剂。

水泥浆性能满足作业要求，见表7，通过自由液及水泥柱密度差可以看出，该水泥浆稳定无沉淀，水泥浆24 小时实测抗压强度达26.2 MPa，远高于该层次固井作业对水泥石抗压强度的要求（大于14 MPa），对提高固井作业后电测质量具有重要意义。同时具有良好的防气窜性能，可有效阻止水泥浆胶凝硬化过程中地层气体侵入，保证固井质量。

表7 ZAAP-76 9 5/8″尾管固井水泥浆基本性能（井底静止温度120℃，井底压力45 MPa）

通过调整减轻剂，水及液体添加剂的加量，可获得其它不同密度、不同性能的高温低密度高强度水泥浆。

4 现场应用

该体系在Z-1 井9 5/8″尾管固井作业现场施作业过程中，混灰迅速，施工过程无漏失，施工后无井口带压，固井测井质量优异率100%，满足下层次开钻要求。

5 结论

针对墨西哥K 区块地层特点及固井技术作业要求，利用当地材料，对1.35 g·cm-3高温低密度水泥浆进行了研究，开发出高温高强度的低密度水泥浆，在Z-1 井9 5/8″尾管固井作业中成功应用，固井质量优异。

5.1 减轻剂的选择，在满足承压要求的条件下，密度越低，水泥浆水灰比更小，水泥浆胶凝硬化后形成水泥石的强度更高。

5.2 在流变性相同条件下，超细水泥会增加水泥浆水灰比，降低水泥石强度，因此在高温低密度水泥浆中不建议使用超细水泥。

5.3 对高温低密度水泥浆，影响水泥石强度的主要因素为水泥占比及水灰比，为提高水泥石强度，可在满足水泥浆可泵性能的前提下，尽可能降低水灰比，提高水泥在水泥浆中占比。